WO2009000788A1 - Resolveranordnung mit rechteckförmiger erregerspannung - Google Patents

Resolveranordnung mit rechteckförmiger erregerspannung Download PDF

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Thomas Götze
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    • H03M1/64—Analogue/digital converters with intermediate conversion to phase of sinusoidal or similar periodical signals
    • H03M1/645—Analogue/digital converters with intermediate conversion to phase of sinusoidal or similar periodical signals for position encoding, e.g. using resolvers or synchros

Definitions

  • the present invention relates to a resolver arrangement with a rotor coil arranged on a rotor and two stator coils arranged offset by 90 ° relative to one another on a stator, a feed device and a converter device,
  • stator voltages of the evaluation device can be supplied
  • stator voltages of the converter means are analog-digital convertible, so that based on the analog-digitally converted stator voltages, the rotational position of the rotor can be determined.
  • the object of the present invention is to make the known resolver arrangement simpler and cheaper, but the best mode of action should be maintained.
  • the excitation voltage which can be fed into the rotor coil, is rectangular. Due to this configuration, the feed device is initially easier and less expensive to implement.
  • the exciter voltage Due to the fact that the exciter voltage is rectangular, the exciter voltage alternately has a first voltage value during a first actuation time and a second voltage value during a second actuation time.
  • the first and the second drive time are usually the same size.
  • the first and the second voltage value usually have the same amount but different signs.
  • the converter device has its own converter channel for each stator voltage.
  • Each converter channel has a sigma-delta converter and a digital filter arranged downstream of the sigma-delta converter.
  • the respective stator voltage is converted into a bit stream.
  • the respective bit stream is converted in the respective digital filter into a multi-bit word.
  • each converter channel to a demodulator to which a corresponding to the sign of the excitation voltage binary signal can be fed and causes the respective analog-digital-converted stator voltage relative to the corresponding stator voltage depending inverted or maintained according to the value of the binary signal.
  • the demodulator is arranged upstream of the respective digital filter.
  • the demodulator may be formed as an XOR gate, which is arranged between the sigma-delta converter and the digital filter of the respective converter channel.
  • the digital filters of the converter channels have an integration time.
  • the integration time is preferably an integer multiple of a period corresponding to the exciter frequency.
  • FIG. 2 shows a timing diagram and FIG. 3 shows a modified representation of the resolver arrangement of FIG. 1, in which some advantageous embodiments are realized.
  • a resolver arrangement has a rotor coil 1 and two stator coils 2, 3.
  • the rotor coil 1 is arranged on a rotor 4 which is rotatable about a rotation axis 5.
  • the stator coils 2, 3 are fixed in a stator 6.
  • stator here does not necessarily mean a stator in the sense of the stator of an electrical machine.
  • stator should be understood to mean only a stationary element.
  • the stator coils 2, 3 are arranged offset by 90 ° from each other electrically. For example, they intersect according to FIG 1 in the vicinity of the axis of rotation 5 at an angle of 90 °.
  • the rotor assembly further comprises a feed device 7.
  • an excitation voltage UE can be fed into the rotor coil 1.
  • the excitation voltage UE is rectangular according to FIG. As a rule, it has an excitation frequency f which lies between 1 and 20 kHz and is thus high-frequency.
  • the excitation frequency f may alternatively be fixed or adjustable.
  • the excitation voltage UE has, because it is rectangular, according to FIG 2 alternately during a first drive time Tl a first voltage value Ul and during a second drive time T2, a second voltage U2.
  • a duty cycle, ie the quotient of the first to second drive time Tl, T2, according to FIG 2 preferably has the value 1. It is therefore preferable that the drive times Tl, T2 are equal.
  • the first and second voltage values U1, U2 have different signs from each other. Their amounts are usually the same.
  • stator voltages USS-A, USC-A can be induced by means of the excitation voltage UE fed into the rotor coil 1 in the stator coils 2, 3.
  • the last letter stands for the fact that the two stator voltages
  • USS-A, USC-A are analog voltages.
  • the frequency of the stator voltages USS-A, USC-A corresponds to the exciter frequency f.
  • Their amplitude is modulated with the rotational position ⁇ of the rotor 4 relative to the stator 6.
  • stator voltages USS-A, USC-A are fed to a converter device 8. From the converter device 8, the stator voltages USS-A, USC-A analog-digital-converted. It therefore generates analog-digital-converted stator voltages USS-D, USC-D.
  • the converted stator voltages USS-D, USC-D are fed to an angle detector 9, which determines the rotational position ⁇ of the rotor 4 on the basis of the stator voltages USS-D, USC-D supplied to it.
  • the converter device 8 has in a preferred embodiment - see FIG. 3 - a separate converter channel 10, 11 for each stator voltage USS-A, USC-A.
  • Each converter channel 10, 11 has a sigma-delta converter 12 and a digital filter 13 arranged downstream of the sigma-delta converter 12.
  • the respective stator voltage USS-A, USC-A is converted into a bit stream (bit stream).
  • the respective bit stream is converted in the respective digital filter 13 into a multi-bit word.
  • the multi-bit word cor- corresponds to the respective digitized stator voltage USS-D or USC-D.
  • the digital filters 13 of the converter channels 10, 11 have an integration frequency f.
  • the integration frequency f corresponds to an integration time constant T '.
  • the integration time constant T ' is an integer multiple of the excitation period T.
  • Each converter channel 10, 11 preferably has a demodulator 14 to which a binary signal can be fed.
  • the binary signal corresponds to the sign of the excitation voltage UE. It therefore has in particular the exciter frequency f.
  • the demodulator 14 causes the respective analog-digital-converted stator voltage USS-D, USC-D is inverted or maintained relative to the corresponding stator voltage USS-A, USC-A depending on the value of the binary signal.
  • the demodulators 14 according to FIG 3 upstream of the digital filters 13.
  • they can be designed as XOR gates, which are arranged between the sigma-delta converter 12 and the digital filter 13 of the respective converter channel 10, 11.

Abstract

Eine Resolveranordnung weist eine auf einem Rotor angeordnete Rotorspule (1), zwei um 90° elektrisch gegeneinander versetzt auf einem Stator angeordnete Statorspulen (2,3), eine Speiseeinrichtung (7) und eine Wandlereinrichtung (8) auf. Mittels der Speiseeinrichtung (7) ist in die Rotorspule (1) eine hochfrequente rechteckf örmige Erregerspannung (UE) einspeisbar. Mittels der in die Rotorspule (1) eingespeisten Erregerspannung (UE) sind in den Statorspulen (2,3) Statorspannungen (USS-A, USC-A) induzierbar, deren Frequenz mit der Frequenz der Erregerspannung (UE) korrespondiert und deren Amplitude mit der Drehstellung des Rotors relativ zum Stator moduliert ist. Die Statorspannungen (USS-A, USC-A) sind der Wandlereinrichtung (8) zuführbar. Von dieser sind die Statorspannungen (USS-A, USC-A) analog-digital wandelbar, so dass anhand der analog-digital gewandelten Statorspannungen (USS-D, USC-D) die Drehstellung des Rotors ermittelbar ist.

Description

Beschreibung
RESOLVERANORDNUNG MIT RECHTECKFÖRMIGER ERREGERSPANNUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Resolveranordnung mit einer auf einem Rotor angeordneten Rotorspule und zwei um 90° elektrisch gegeneinander versetzt auf einem Stator angeordneten Statorspulen, einer Speiseeinrichtung und einer Wandler- einrichtung,
- wobei mittels der Speiseeinrichtung in die Rotorspule eine hochfrequente Erregerspannung einspeisbar ist,
- wobei mittels der in die Rotorspule eingespeisten Erregerspannung in den Statorspulen Statorspannungen induzierbar sind, deren Frequenz mit der Frequenz der Erregerspannung (Erregerfrequenz) korrespondiert und deren Amplitude mit der Drehstellung des Rotors moduliert ist,
- wobei die Statorspannungen der Auswertungseinrichtung zuführbar sind, - wobei die Statorspannungen von der Wandlereinrichtung analog-digital wandelbar sind, so dass anhand der analogdigital gewandelten Statorspannungen die Drehstellung des Rotors ermittelbar ist.
Eine derartige Resolveranordnung ist beispielsweise aus der DE 10 2005 005 024 Al bzw. den korrespondierenden Schriften US 2006/170579 Al und WO 2006/082244 Al bekannt. Gemäß diesem Stand der Technik wird die Rotorspule - wie allgemein üblich
- mit einer sinusförmigen Erregerspannung gespeist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die bekannte Resolveranordnung einfacher und kostengünstiger auszugestalten, wobei jedoch die bewährte Wirkungsweise beibehalten werden soll.
Die Aufgabe wird durch eine Resolveranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 9. Erfindungsgemäß ist die Erregerspannung, die in die Rotorspule einspeisbar ist, rechteckförmig. Auf Grund dieser Ausgestaltung ist zunächst die Speiseeinrichtung einfacher und kostengünstiger realisierbar.
Auf Grund des Umstands, dass die Erregerspannung rechteckför- mig ist, weist die Erregerspannung alternierend während einer ersten Ansteuerzeit einen ersten Spannungswert und während einer zweiten Ansteuerzeit einen zweiten Spannungswert auf. Die erste und die zweite Ansteuerzeit sind in aller Regel gleich groß. Weiterhin weisen der erste und der zweite Spannungswert in der Regel den gleichen Betrag, jedoch verschiedene Vorzeichen auf.
Im Stand der Technik und auch bei der vorliegenden Erfindung weist die Wandlereinrichtung für jede Statorspannung einen eigenen Wandlerkanal auf. Jeder Wandlerkanal weist einen Sig- ma-Delta-Wandler und ein dem Sigma-Delta-Wandler nachgeordnetes digitales Filter auf. Im jeweiligen Sigma-Delta-Wandler wird die jeweilige Statorspannung in einen Bitstrom gewandelt. Der jeweilige Bitstrom wird im jeweiligen digitalen Filter in ein Mehrbitwort umgesetzt. Ebenso sowohl beim oben genannten Stand der Technik als auch bei der vorliegenden Erfindung weist jeder Wandlerkanal einen Demodulator auf, dem ein mit dem Vorzeichen der Erregerspannung korrespondierendes Binärsignal zuführbar ist und der bewirkt, dass die jeweilige analog-digital-gewandelte Statorspannung gegenüber der korrespondierenden Statorspannung je nach Wert des Binärsignals invertiert oder beibehalten wird. Der Demodulator ist dem je- weiligen digitalen Filter vorgeordnet. Insbesondere kann der Demodulator als XOR-Gatter ausgebildet sein, das zwischen dem Sigma-Delta-Wandler und dem digitalen Filter des jeweiligen Wandlerkanals angeordnet ist.
Die digitalen Filter der Wandlerkanäle weisen eine Integrationszeit auf. Die Integrationszeit ist vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches einer mit der Erregerfrequenz korrespondierenden Periode. Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
FIG 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Re- solveranordnung, FIG 2 ein Zeitdiagramm und FIG 3 eine modifizierte Darstellung der Resolveranordnung von FIG 1, bei der einige vorteilhafte Ausgestal- tungen realisiert sind.
Gemäß FIG 1 weist eine Resolveranordnung eine Rotorspule 1 und zwei Statorspulen 2, 3 auf. Die Rotorspule 1 ist auf einem Rotor 4 angeordnet, der um eine Rotationsachse 5 drehbar ist. Die Statorspulen 2, 3 sind in einem Stator 6 befestigt. Mit dem Begriff „Stator" ist hierbei nicht notwendigerweise ein Stator im Sinne des Stators einer elektrischen Maschine gemeint. Mit dem Begriff Stator soll lediglich ein ortsfestes Element bezeichnet werden.
Die Statorspulen 2, 3 sind um 90° elektrisch gegeneinander versetzt angeordnet. Beispielsweise kreuzen sie sich gemäß FIG 1 in der Nähe der Rotationsachse 5 unter einem Winkel von 90°.
Die Rotoranordnung weist weiterhin eine Speiseeinrichtung 7 auf. Mittels der Speiseeinrichtung 7 ist in die Rotorspule 1 eine Erregerspannung UE einspeisbar. Die Erregerspannung UE ist gemäß FIG 2 rechteckförmig. Sie weist in der Regel eine Erregerfrequenz f auf, die zwischen 1 und 20 kHz liegt und damit hochfrequent ist. Die Erregerfrequenz f kann alternativ fest vorgegeben oder einstellbar sein.
Die Erregerspannung UE weist, weil sie rechteckförmig ist, entsprechend FIG 2 alternierend während einer ersten Ansteuerzeit Tl einen ersten Spannungswert Ul und während einer zweiten Ansteuerzeit T2 einen zweiten Spannungswert U2 auf. Die Summe der Ansteuerzeiten Tl, T2, also die Periode T der Erregerspannung UE, entspricht hierbei dem Kehrwert der Erregerfrequenz f. Ein Tastverhältnis, also der Quotient von erster zu zweiter Ansteuerzeit Tl, T2, hat gemäß FIG 2 vorzugsweise den Wert 1. Es gilt also vorzugsweise, dass die Ansteu- erzeiten Tl, T2 gleich groß sind.
Der erste und der zweite Spannungswert Ul, U2 weisen voneinander verschiedene Vorzeichen auf. Ihre Beträge sind in der Regel gleich.
Die Anordnung der Rotorspule 1 und der Statorspulen 2, 3 ist derart, dass mittels der in die Rotorspule 1 eingespeisten Erregerspannung UE in den Statorspulen 2, 3 Statorspannungen USS-A, USC-A induzierbar sind. Der letzte Buchstabe steht hierbei für den Umstand, dass die beiden Statorspannungen
USS-A, USC-A analoge Spannungen sind. Die Frequenz der Statorspannungen USS-A, USC-A korrespondiert mit der Erregerfrequenz f. Ihre Amplitude ist mit der Drehstellung α des Rotors 4 relativ zum Stator 6 moduliert.
Die Statorspannungen USS-A, USC-A werden einer Wandlereinrichtung 8 zugeführt. Von der Wandlereinrichtung 8 werden die Statorspannungen USS-A, USC-A analog-digital-gewandelt . Sie erzeugt also analog-digital-gewandelte Statorspannungen USS- D, USC-D. Die gewandelten Statorspannungen USS-D, USC-D werden einem Winkelermittler 9 zugeführt, der anhand der ihm zugeführten Statorspannungen USS-D, USC-D die Drehstellung α des Rotors 4 ermittelt.
Die Wandlereinrichtung 8 weist in einer bevorzugten Ausgestaltung - siehe FIG 3 - für jede Statorspannung USS-A, USC-A einen eigenen Wandlerkanal 10, 11 auf. Jeder Wandlerkanal 10, 11 weist einen Sigma-Delta-Wandler 12 und ein dem Sigma- Delta-Wandler 12 nachgeordnetes digitales Filter 13 auf. Im jeweiligen Sigma-Delta-Wandler 12 wird die jeweilige Statorspannung USS-A, USC-A in einen Bitstrom (bit stream) gewandelt. Der jeweilige Bitstrom wird im jeweiligen Digitalfilter 13 in ein Mehrbitwort umgesetzt. Das Mehrbitwort kor- respondiert mit der jeweiligen digitalisierten Statorspannung USS-D bzw. USC-D.
Die digitalen Filter 13 der Wandlerkanäle 10, 11 weisen eine Integrationsfrequenz f auf. Mit der Integrationsfrequenz f korrespondiert eine Integrationszeitkonstante T' . Gemäß FIG 3 ist die Integrationszeitkonstante T' ein ganzzahliges Vielfaches der Erregerperiode T.
Vorzugsweise weist jeder Wandlerkanal 10, 11 einen Demodula- tor 14 auf, dem ein Binärsignal zuführbar ist. Das Binärsignal korrespondiert hierbei mit dem Vorzeichen der Erregerspannung UE. Es weist also insbesondere die Erregerfrequenz f auf. Der Demodulator 14 bewirkt, dass die jeweilige analog- digital-gewandelte Statorspannung USS-D, USC-D gegenüber der korrespondierenden Statorspannung USS-A, USC-A je nach Wert des Binärsignals invertiert oder beibehalten wird.
Vorzugsweise sind die Demodulatoren 14 entsprechend FIG 3 den digitalen Filtern 13 vorgeordnet. Sie können in diesem Fall als XOR-Gatter ausgebildet sein, die zwischen dem Sigma- Delta-Wandler 12 und dem digitalen Filter 13 des jeweiligen Wandlerkanals 10, 11 angeordnet sind.
Mittels der erfindungsgemäßen Resolveranordnung ist auf einfache Weise eine einfache, kostengünstige und stabile Betriebsweise der Resolveranordnung realisierbar.
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Resolveranordnung mit einer auf einem Rotor (4) angeordneten Rotorspule (1) und zwei um 90° elektrisch gegeneinander versetzt auf einem Stator (6) angeordneten Statorspulen (2, 3), einer Speiseeinrichtung (7) und einer Wandlereinrichtung (8),
- wobei mittels der Speiseeinrichtung (7) in die Rotorspule
(1) eine hochfrequente rechteckförmige Erregerspannung (UE) einspeisbar ist,
- wobei mittels der in die Rotorspule (1) eingespeisten Erregerspannung (UE) in den Statorspulen (2,3) Statorspannungen
(USS-A, USC-A) induzierbar sind, deren Frequenz mit der Frequenz (f) der Erregerspannung (UE) (Erregerfrequenz f) kor- respondiert und deren Amplitude mit der Drehstellung (α) des Rotors (4) relativ zum Stator (6) moduliert ist,
- wobei die Statorspannungen (USS-A, USC-A) der Wandlereinrichtung (8) zuführbar sind,
- wobei die Statorspannungen (USS-A, USC-A) von der Wandler- einrichtung (8) analog-digital wandelbar sind, so dass anhand der analog-digital gewandelten Statorspannungen (USS- D, USC-D) die Drehstellung (α) des Rotors (4) ermittelbar ist .
2. Resolveranordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Erregerspannung (UE) alternierend während einer ersten Ansteuerzeit (Tl) einen ersten Spannungswert (Ul) und während einer zweiten Ansteuerzeit (T2) einen zweiten Spannungswert (U2) aufweist, dass die ers- te und die zweite Ansteuerzeit (Tl, T2) gleich groß sind und dass der erste und der zweite Spannungswert (Ul, U2) den gleichen Betrag, jedoch verschiedene Vorzeichen aufweisen.
3. Resolveranordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Wandlereinrichtung
(8) für jede Statorspannung (USS-A, USC-A) einen eigenen Wandlerkanal (10,11) aufweist, dass jeder Wandlerkanal (10,11) einen Sigma-Delta-Wandler (12) und ein dem Sigma-Delta- Wandler (12) nachgeordnetes digitales Filter (13) aufweist, dass die jeweilige Statorspannung (USS-A, USC-A) im jeweiligen Sigma-Delta-Wandler (12) in einen Bitstrom gewandelt wird und dass der jeweilige Bitstrom im jeweiligen Digitalfilter (13) in ein Mehrbitwort umgesetzt wird.
4. Resolveranordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jeder Wandlerkanal (10,11) einen dem jeweiligen digitalen Filter (13) vorgeordneten De- modulator (14) aufweist, dem ein mit dem Vorzeichen der Erregerspannung (UE) korrespondierendes Binärsignal zuführbar ist und der bewirkt, dass die jeweilige analog-digital-gewandelte Statorspannung (USS-D, USC-D) gegenüber der korrespondierenden Statorspannung (USS-A, USC-A) je nach Wert des Binärsignals invertiert oder beibehalten wird.
5. Resolveranordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Demodulator (14) als XOR- Gatter ausgebildet ist, das zwischen dem Sigma-Delta-Wandler (12) und dem digitalen Filter (14) des jeweiligen Wandlerkanals (10,11) angeordnet ist.
6. Resolveranordnung nach Anspruch 3, 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die digitalen Filter (13) der Wandlerkanäle (10, 11) eine Integrationszeitkonstan¬ te (T' ) aufweisen und dass die Integrationszeitkonstante (T' ) ein ganzzahliges Vielfaches einer mit der Erregerfrequenz (f) korrespondierenden Periode (T) ist.
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